TY - THES

T1 - Numerische Parameterstudie zur optimierten und modularen Schweißpfadplanung einer repräsentativen additiv gefertigten Ti-6Al-4V Struktur

AU - Mager, Carina

N1 - gesperrt bis 12-05-2027

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer effizienten Pfadplanung für die eigenspannungs- und verzugsoptimierte Fertigung von Strukturen der Luft-und Raumfahrtindustrie mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Als Basis dieser Arbeit dient ein additiv gefertigter, repräsentativer Prototyp, bei dem eine effiziente Pfadplanung realisiert werden soll. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau und die Entwicklung eines automatisierten Pfadplanungsprogrammes für die additive Fertigung dünnwandiger Strukturen. Das entwickelte Pfadplanungsprogramm besteht grundsätzlich aus drei Modulen, dem Optimierungsmodul, dem Berechnungsmodul und dem eigentlichen Pfadgenerator. Letzterer gibt die gewählten Pfade in einem für das Simulationsprogramm kompatiblen Format aus. Das Optimierungsmodul stellt die Pfadvariationen (Reihenfolge der Pfade) für das Berechnungsmodul bereit. Aufgrund der großen Anzahl an zu berechnenden Varianten wurde ein Stufenplan entwickelt, der die Anzahl möglicher Varianten signifikant reduziert. Das Berechnungsmodul errechnet für jede Pfadvariation einen normierten Energieeintrag. Die Ergebnisse des Energieeintrages aus dem Berechnungsmodul werden in das Optimierungsmodul zurückgegeben und in weiterer Folge bewertet, wobei eine vorher definierte Kostenfunktion zur Bewertung dient. Als Kostenfunktionen wurden die Streuparameter Spannweite, Varianz und Standardabweichung betrachtet. Die Minimierung dieser Parameter soll eine möglichst gleichmäßige normierte Energieverteilung während des Aufbaus des repräsentativen Prototypen abbilden. Es wurde ein konventionell geplantes und hergestelltes Bauteil mit der Struktursimulationssoftware simufact welding modelliert. Das Simulationsmodell wurde mit den experimentellen Daten abgeglichen und diente in weiterer Folge als Referenz zur Beurteilung der Simulationsergebnisse aus den Parametervariationen. Der Abgleich der experimentellen Daten mit der Simulation zeigt dabei eine gute Übereinstimmung. Die Auswertung der Simulationen mit der optimierten Pfadplanung zeigt, dass der gemittelte Verzug der Grundplatte im Mittelwert über alle Simulationsergebnisse um rund 14 % reduziert werden kann und unter Optimierung auf die Kostenfunktion Spannweite des normierten Energieeintrages um 30 % verringert werden. Ebenso konnten die Eigenspannungen der Grundplatte im Mittelwert über alle optimierten Simulationen um 12 %, und unter Optimierung der Kostenfunktion Varianz um 21 % gesenkt werden. Alle untersuchten Kostenfunktionen eigenen sich für die Bewertung der normierten Energieverteilung. Das entwickelte Programm ermöglicht eine zeiteffiziente Pfadplanung von additiv gefertigten Strukturen, wobei die Eigenspannungen und der Verzug im Vergleich zum konventionell geplanten Bauteil verringert werden können.

AB - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer effizienten Pfadplanung für die eigenspannungs- und verzugsoptimierte Fertigung von Strukturen der Luft-und Raumfahrtindustrie mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Als Basis dieser Arbeit dient ein additiv gefertigter, repräsentativer Prototyp, bei dem eine effiziente Pfadplanung realisiert werden soll. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau und die Entwicklung eines automatisierten Pfadplanungsprogrammes für die additive Fertigung dünnwandiger Strukturen. Das entwickelte Pfadplanungsprogramm besteht grundsätzlich aus drei Modulen, dem Optimierungsmodul, dem Berechnungsmodul und dem eigentlichen Pfadgenerator. Letzterer gibt die gewählten Pfade in einem für das Simulationsprogramm kompatiblen Format aus. Das Optimierungsmodul stellt die Pfadvariationen (Reihenfolge der Pfade) für das Berechnungsmodul bereit. Aufgrund der großen Anzahl an zu berechnenden Varianten wurde ein Stufenplan entwickelt, der die Anzahl möglicher Varianten signifikant reduziert. Das Berechnungsmodul errechnet für jede Pfadvariation einen normierten Energieeintrag. Die Ergebnisse des Energieeintrages aus dem Berechnungsmodul werden in das Optimierungsmodul zurückgegeben und in weiterer Folge bewertet, wobei eine vorher definierte Kostenfunktion zur Bewertung dient. Als Kostenfunktionen wurden die Streuparameter Spannweite, Varianz und Standardabweichung betrachtet. Die Minimierung dieser Parameter soll eine möglichst gleichmäßige normierte Energieverteilung während des Aufbaus des repräsentativen Prototypen abbilden. Es wurde ein konventionell geplantes und hergestelltes Bauteil mit der Struktursimulationssoftware simufact welding modelliert. Das Simulationsmodell wurde mit den experimentellen Daten abgeglichen und diente in weiterer Folge als Referenz zur Beurteilung der Simulationsergebnisse aus den Parametervariationen. Der Abgleich der experimentellen Daten mit der Simulation zeigt dabei eine gute Übereinstimmung. Die Auswertung der Simulationen mit der optimierten Pfadplanung zeigt, dass der gemittelte Verzug der Grundplatte im Mittelwert über alle Simulationsergebnisse um rund 14 % reduziert werden kann und unter Optimierung auf die Kostenfunktion Spannweite des normierten Energieeintrages um 30 % verringert werden. Ebenso konnten die Eigenspannungen der Grundplatte im Mittelwert über alle optimierten Simulationen um 12 %, und unter Optimierung der Kostenfunktion Varianz um 21 % gesenkt werden. Alle untersuchten Kostenfunktionen eigenen sich für die Bewertung der normierten Energieverteilung. Das entwickelte Programm ermöglicht eine zeiteffiziente Pfadplanung von additiv gefertigten Strukturen, wobei die Eigenspannungen und der Verzug im Vergleich zum konventionell geplanten Bauteil verringert werden können.

KW - WAAM

KW - additv manufacturing

KW - path planning

KW - WAAM

KW - Pfadplanung

KW - Additive Fertigung

KW - Wire Arc

M3 - Masterarbeit

ER -